单相机全方位立体视觉系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种新的基于单相机的全方位立体视觉系统，包括一个透明圆筒，上下两个特定形状的反射镜面和一个透视相机。上侧镜面为双曲面、椭球面、抛物面、平面镜中二者构成的组合镜面；下侧镜面为双曲面或抛物面。透视相机安装于下侧镜面的内部，其主光轴与上下两个反射镜面的主轴共轴，镜头比下侧镜面顶部的通光孔略小。组合镜面的一部分单独成像、另一部分与下侧镜面构成折返系统，在一个相机上形成物体的两个像，且对应像点都位于以图像中心为圆心的射线上。本实用新型专利技术结构紧凑、轻便小巧，能形成水平３６０度、垂直向上、向下各一定角度的三维视场，便于利用深度恢复算法获取立体视觉信息。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于机器人视觉传感器装置，用于地面机器人、无人驾驶飞行器、自动 除草机或其它智能系统的全景视觉信息的获取，并可以通过深度恢复算法计算出三维空间 的距离信息，具体的说是一种结构紧凑的全方位立体视觉系统。
技术介绍
视觉系统能够通过成像硬件设备快速获取周围环境的图像，通过软件模块分析图 像中目标的表面特征、计算目标的深度数据，有很大的应用潜力。因此，在地面机器人、无人 驾驶飞行器，及其他智能系统中，视觉系统已成为感知环境、辅助目标识别、路径规划等任 务的重要手段。传统透视投影相机和全方位相机都是得到广泛使用的视觉系统，后者因较 大的可视范围而倍受青睐。与地面机器人和大型无人机相比，小型/微型无人机具有体积小、轻便灵活、能够 垂直起降等优点，可为复杂环境下的侦查、遥感等应用提供理想的平台，但其有限的负载能 力却使传感器的配置较为棘手。小型/微型无人机对尺寸和重量的限制是配置传感器要考 虑的首要条件；此外，除了前进方向上的前向视野外，飞行器周围全三维空间的场景都需要 进行关注。可见，小型/微型无人机对环境感知的要求更高，但负载能力却更差。因此，所设 计的视觉系统不仅要体积小、重量轻，而且在视场和分辨率等方面要具有令人满意的性能。全方位相机可由传统的透视相机加特定形状的反射镜面构成，水平可视范围为 360度，垂直可视范围可达90度以上。当反射镜面形状为平面、椭球面、双曲面或抛物面时， 相机具有单视点属性，即成像平面上像点的形成，是由于相机捕捉了特定方向上的光线。例 如，在众多射向双曲面反射镜的光线中，只有沿焦点方向的光线，经镜面反射后才在位于另 一焦点处的相机上成像。其优点是，在成像光路计算的过程中，无需获得光线入射处镜面的 表面法向量，从而保证物点到像点几何投影计算的速度和精度，便于快速恢复物体的深度 信息。用全方位相机构成立体视觉系统可采用基于双相机和单相机两种基本构成方式(1)与由两透视相机构成立体视觉系统的方式类似，基于双相机的全方位立体视 觉系统由两个完全相同的全方位相机构成。该系统具有全方位相机视场大的优点，但位于 下侧的全方位相机对上侧相机的视场会构成遮挡。更重要的是，该系统在结构紧凑性和重 量方面存在一定的局限性，较多的应用于地面机器人中；(2)基于单相机的全方位立体视觉系统则是利用两个或多个反射镜面之间的特殊 位置关系，在一个透视相机上产生同一场景的两个像。具体来说，一种结构是采用两片双 曲面反射镜，一反射镜的焦点与主光轴共线，而另一反射镜的焦点与光轴成一定夹角。该设 计虽然实现了单相机成立体像，但存在基线较短、系统装配较困难、对系统结构紧凑性的改 善并不明显等弊端。另一种结构如专利200510045648. 1所述，由两双曲面反射镜面与一透 视相机构成，两镜面主轴均与相机的主光轴共线，减小了系统的横向尺寸、有效的延长了基 线，并便于系统装配。但由于透视相机位于反射镜面下侧一定距离处，整个系统的高度仍较 大，对小型/微型无人机飞行稳定性会带来不利影响。专利技术 内容本技术的目的在于提供一种结构更加紧凑的单相机全方位立体视觉系统。实现本技术目的的技术解决方案为一种单相机全方位立体视觉系统，包括 一个透明圆筒、两个反射镜面和一个透视相机，所述的反射镜面包括上侧镜面和下侧镜面， 上侧镜面安装于透明圆筒的上端，下侧镜面安装于透明圆筒的下端；上侧镜面为双曲面、椭 球面、抛物面、平面镜中二者构成的组合镜面，下侧镜面为双曲面或抛物面；下侧镜面顶部 设有通光孔；上侧镜面与下侧镜面的外径相同，且上侧镜面与下侧镜面的外径作为系统的 直径，该直径小于透明圆筒的内径；所述的透视相机安装于下侧镜面内部，透视相机的镜头 外径小于通光孔直径，透视相机主光轴与两反射镜面主轴共线。本技术与现有技术相比，其显著优点(1)结构紧凑，由于采用相机位于镜面 内部、以及三片镜片的组合设计，在保证立体成像系统性能的同时，有效降低了系统的高 度，在对视觉系统的体积和重量有严格限制的机器人系统中有良好的应用前景；(2)较大 的视场角，能够形成水平360度、垂直向上、向下各一定角度的三维视场，用于深度计算；同 时，无法用于深度计算的图像区域，也能够根据运动恢复的相关理论，为机器人导航提供信 息；(3)快速、精确的深度计算，本专利技术的结构保证了立体视觉系统具有合理的基线长，同 时，立体像对的共线特征便于匹配像素的搜索，进而有利于提高深度计算的速度。本专利技术从 小型/微型无人机的应用需求出发，但可广泛应用于其他需要获得大范围场景立体视觉信 息的智能系统中。附图说明图1是本技术单相机全方位立体视觉系统的结构示意图。图2是本技术实施例1的系统结构示意图。图3是本技术实施例2的系统结构示意图。图4是本技术实施例3的系统结构示意图。图5是本技术实施例1所成图像的仿真图。图6是本技术实施例1的系统结构及成像光路示意图具体实施方式以下结合附图对本技术作进一步详细描述。本技术单相机全方位立体视觉系统，包括一个透明圆筒4、两个反射镜面和一 个透视相机3，所述的反射镜面包括上侧镜面1和下侧镜面2，上侧镜面1安装于透明圆筒 4的上端，下侧镜面2安装于透明圆筒4的下端；上侧镜面1为双曲面、椭球面、抛物面、平 面镜中二者构成的组合镜面，下侧镜面2为双曲面或抛物面；下侧镜面2顶部设有通光孔； 上侧镜面1与下侧镜面2的外径相同，且上侧镜面1与下侧镜面2的外径作为系统的直径， 该直径略小于透明圆筒4的内径；所述的透视相机3通过紧固螺丝5安装于下侧镜面2内 部，透视相机3的镜头外径略小于通光孔直径，透视相机3主光轴与两反射镜面主轴共线。本技术单相机全方位立体视觉系统，上侧镜面1中一片镜面作为单独成像镜 面la，另一片镜面作为折返镜面lb，折返镜面Ib与下侧镜面2共同构成折返系统成像，在透视相机3的成像平面上，物体的两个像位于以图像中心为圆心的射线上；当折返镜面Ib 为平面镜、椭球面或双曲面时，单独成像镜面Ia均可为双曲面或椭球面，下侧镜面2为双曲 面；当折返镜面Ib为抛物面时，单独成像镜面Ia可为双曲面或椭球面，下侧镜面2为抛物 面。本技术单相机全方位立体视觉系统，所述折返镜面Ib为平面镜时，透视相机 3光心与单独成像镜面Ia的远焦点重合，并且平面镜与光心和下侧镜面2的远焦点距离相 等；当折返镜面Ib为椭球面或双曲面时，透视相机3光心与单独成像镜面Ia的远焦点和折 返镜面Ib的远焦点三点重合；当折返镜面Ib为抛物面时，透视相机3光心与折返镜面Ib 的焦点和单独成像镜面Ia的远焦点三点重合。系统的结构如图1所示。设计全方位立体视觉系统，需确定镜面形状和镜面与相 机间的相对位置参数，具体描述如下(1)镜面形状具有解析表达式的平面镜及旋转曲面中的椭球面、双曲面及抛物 面形状的镜面均满足普通全方位相机的单视点约束，是常用的反射镜面。为了进一步构成 结构紧凑的立体视觉系统，上侧镜面由两部分组成单独成像镜面和折返镜面。前者接收入 射光线并反射后直接在相机上成像；后者与下侧镜面构成折返系统，入射光线经过两次反 射后，在相机上成另一个像。折返镜面的形状可为双曲面、椭球面、抛物面或平面，单独成像 镜面可为双曲面、椭球面或抛物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相机全方位立体视觉系统，其特征在于：包括一个透明圆筒［４］、两个反射镜面和一个透视相机［３］，所述的反射镜面包括上侧镜面［１］和下侧镜面［２］，上侧镜面［１］安装于透明圆筒［４］的上端，下侧镜面［２］安装于透明圆筒［４］的下端；上侧镜面［１］为双曲面、椭球面、抛物面、平面镜中二者构成的组合镜面，下侧镜面［２］为双曲面或抛物面；下侧镜面［２］顶部设有通光孔；上侧镜面［１］与下侧镜面［２］的外径相同，且上侧镜面［１］与下侧镜面［２］的外径作为系统的直径，该直径小于透明圆筒的内径；所述的透视相机［３］安装于下侧镜面［２］内部，透视相机［３］的镜头外径小于通光孔直径，透视相机［３］主光轴与两反射镜面主轴共线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玲，肖继忠，
申请(专利权)人：肖继忠，郭玲，
类型：实用新型
国别省市：84[中国|南京]